DE3842301C2 - - Google Patents
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- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-
Schutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
Solche Hochtemperatur-Schutzschichten kommen vor allem
dort zur Anwendung, wo das Grundmaterial von Bauelemen
ten aus warmfesten Stählen und/oder Legierungen zu
schützen ist, die bei Temperaturen über 600°C zum
Einsatz kommen. Durch solche Hochtemperatur-Schutz
schichten soll die Wirkung von Hochtemperatur-Korrosio
nen, vor allem von Schwefel, Ölaschen, Sauerstoff,
Erdalkalien und Vanadium verlangsamt bzw. vollständig
unterbunden werden. Hochtemperatur-Schutzschichten
dieser Art sind so beschaffen, daß sie direkt auf das
Grundmaterial des zu schützenden Bauelements aufgetragen
werden können.
Bei Bauelementen von Gasturbinen sind Hochtemperatur-
Schutzschichten von besonderer Bedeutung. Sie werden vor
allem auf Lauf- und Leitschaufeln, sowie auf Wärmestau
segmente von Gasturbinen aufgetragen.
Für die Fertigung dieser Bauelemente wird vorzugsweise
ein austenitisches Material auf der Basis von Nickel,
Kobalt oder Eisen verwendet. Bei der Herstellung von
Gasturbinenbauteilen kommen vor allem Nickel-Superle
gierungen als Grundmaterial zur Anwendung.
Bauelemente, die für Gasturbinen bestimmt sind, werden
beispielsweise mit Schutzschichten aus Legierungen ver
sehen, die Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium
enthalten. Der Aluminiumanteil dieser Legierungen ist
relativ hoch, während der Chromanteil recht niedrig ist,
was eine niedrige Korrosionsbeständigkeit zur Folge hat.
Schutzschichten, die aus den o.g. Legierungen herge
stellt sind, weisen die Eigenschaft auf, daß sie unter
Betriebsbedingungen, insbesondere wenn sie einer Tempe
ratur von mehr als 900°C ausgesetzt sind, auf ihrer
Oberfläche selbsttätig eine aluminiumoxidhaltige Deck
schicht ausbilden. Durch das in der Legierung enthaltene
Yttrium wird eine gewisse Haftfestigkeit dieser Alumini
umoxid-Deckschicht auf der Schutzschicht bewirkt.
Das Gefüge dieser Schutzschichten besteht aus einer
Matrix, in die eine aluminiumhaltige Phase eingelagert
ist. Durch eine fortschreitende Oxidation kommt es zu
einer raschen Verarmung der oberflächennahen Bereiche an
Aluminium. Dies führt zu erhöhter Anfälligkeit der
Schutzschichten gegen Korrosion. Als weiterer Nachteil
ist hervorzuheben, daß diese Schutzschichten nicht
genügend an den Grundwerkstoff der zu schützenden Bau
elemente angepaßt sind. Diese Anpassung ist insbesondere
bei hohen Temperaturen nicht gegeben.
Aus der EP-PS 02 41 807 ist eine Hochtemperaturschutzschicht
bekannt, die Chrom, Aluminium, Silizium, Yttrium,
Tantal und Kobalt sowie Nickel enthält. Sie weist
ferner Zusätze an Silizium, Tantal und Zirkonium auf.
Der Chromanteil der Legierung beträgt 18 bis 25 Gew.-%,
der Aluminiumanteil 7 bis 12 Gew.-% und der Kobaltanteil
3 bis 15 Gew.-%. Der restliche Anteil der Legierung besteht
aus Nickel und den obengenannten Zusätzen.
In der EP-OS 01 94 391 ist ebenfalls eine Schutzschicht
beschrieben, die als wesentliche Bestandteile Kobalt,
Chrom, Aluminium, Tantal und Wolfram enthält. Ferner
weist die Legierung Zusätze in Form von Silizium, Yttrium,
Kohlenstoff, Bor, Hafnium, Molybdän und Rhenium
auf.
Die eingangs beschriebene Schutzschicht für stationäre
Gasturbinen kann auch bei bei Bauteilen von Flugbetriebwerken
Anwendung finden. Da jedoch hier einige Korrosionseinwirkungen,
beispielsweise auf Grund des fehlenden
Schwefels im Flugtreibstoff nicht auftreten, werden bei
Verwendung von Schutzschichten für stationäre Gasturbinen
Werkstoffe in größeren Mengen verwendet, die eigentlich
nicht erforderlich sind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Hochtemperaturschutzschicht der eingangs genannten Art
so weiterzubilden, daß sie unter Einsparung von Material
auch für Bauelemente von Flugtriebwerken den gleichen
Schutz bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
Eine weitere Lösung ist in Patentanspruch 2 offenbart.
Erfindungsgemäß wird durch einen Zusatz an Silizium die
Haftfestigkeit der sich selbständig ausbildenden Alumi
niumoxid-Deckschicht erhöht und hierdurch die Korro
sionsbeständigkeit der eigentlichen Hochtempera
tur-Schutzschicht wesentlich vergrößert. Die Silizium
menge sollte 0,5 bis 3 Gew.-% bezogen auf das Gesamtge
wicht der Legierung betragen. Durch einen Zusatz an
Zirkonium und Silizium zu einer solchen Legierung wird
die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit ebenfalls
erhöht, wobei der Chromgehalt sehr hoch gehalten werden
kann. Die Menge des Zirkoniums, die der Legierung
zuzusetzen ist, beträgt 0,2 bis 2 Gew.-%, vorzugsweise 1
Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung. Die
geringe Löslichkeit des Zirkoniums in einer Legierung
auf der Basis von Nickel führt zur Ausscheidung von
zirkoniumreichen Phasen. Eine solche Legierung kann ggf.
mit einer kleinen Menge an Yttrium bspw. 0,5 bis 1 Gew.-%
bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung oder auch
ohne Yttrium eingesetzt werden. Durch die Zugabe von
Tantal zu der erfindungsgemäßen Legierung wird die Oxi
dationsbeständigkeit der Hochtemperatur-Schutzschicht
erhöht, die Haftfestigkeit der Aluminiumoxid-Deckschicht
verbessert und hierdurch wiederum die Korrosionsbestän
digkeit der Hochtemperatur-Schutzschicht selbst ver
größert. Das der Legierung beigemischte Tantal liegt in
der Matrix gelöst vor. Vorzugsweise werden der Legierung
0,5 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 1 Gew.-% Tantal zugesetzt.
Bei einem Zusatz von Tantal kann ggf. auf den Zusatz von
Silizum verzichtet werden. Korrosionsbeständige Schutz
schichten werden jedoch in jedem Fall dann besonders gut
ausgebildet, wenn der Legierung neben dem Tantal auch
Silizium beigefügt wird. Falls es die Gegebenheiten er
fordern, können der Legierung geringe Zusätze an Titan
beigemischt werden. Die Menge sollte jedoch nur zwischen
0,1 und 2 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Le
gierung liegen. Die Zusätze an Silizium, Silizium und
Zirkonium bzw. Silizium und Tantal ermöglichen es, den
Anteil der Legierung an Chrom, Aluminium und Kobalt sehr
groß zu wählen. Die erfindungsgemäße Legierung weist
vorzugsweise einen Chromgehalt zwischen 13 und 18 Gew.-%,
einen Kobaltgehalt zwischen 3 und 30 Gew.-% und einen
Aluminiumgehalt zwischen 7 und 15 Gew.-% bezogen auf das
Gesamtgewicht der Legierung auf. Durch die Wahl dieser
Mengen an Chrom, Aluminium und Kobalt wird eine sehr
gute Anpassung der Schutzschicht an das nickelhaltige
Grundmaterial der Bauelemente ermöglicht, insbesondere
auch bei Temperaturen über 600°C. Das gleiche gilt auch
für oxiddispersionsgehärtete Legierungen, aus denen
ebenfalls viele der zu schützenden Bauelemente gefertigt
sind, die deshalb mit solchen Hochtemperatur-Schutz
schichten überzogen werden. Durch diese Mengen an Chrom,
Aluminium und Kobalt in der Legierung können bei hohen
Temperaturen, insbesondere über 950°C, auftretende
Interdiffusionseffekte und die damit verbundenen Än
derungen der Werkstoffeigenschaften deutlich gemindert
oder sogar vollständig beseitigt werden. Eine besonders
vorteilhafte Hochtemperatur-Schutzschicht, die sehr gute
Oxidations- und Korrosionsbeständigkeiten besitzt, wird
durch eine Legierung gebildet, die 13 bis 18 Gew.-% Chrom,
7 bis 15 Gew.-% Aluminium, 0,5 bis 3 Gew.-% Silizium, 0,5
bis 1 Gew.-% Yttrium und 3 bis 30 Gew.-% Kobalt aufweist,
und deren restlicher Anteil aus Nickel besteht. Eine mit
Tantal modifizierte Legierung, durch welche die Haft
festigkeit der sich selbsttätig bildenden Aluminiumoxid
deckschicht besonders begünstigt wird, enthält vorzugs
weise 18 bis 30 Gew.-% Chrom, 7 bis 12 Gew.-% Aluminium,
0,5 bis 3 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 1 Gew.-% Yttrium, 1
Gew.-% Tantal, 2 bis 30 Gew.-% Kobalt. Der restliche
Anteil der Legierung ist Nickel. Bei beiden oben be
schriebenen Legierungen besteht die Möglichkeit einen
Zusatz an Titan beizumischen, falls es die Gegebenheiten
erfordern. Die Menge sollte jedoch nur zwischen 0,1 und
2 Gew.-% liegen. Eine Legierung zur Ausbildung einer
Hochtemperatur-Schutzschicht bei der auf Yttrium ver
zichtet werden kann, weist in ihrer Zusammensetzung
vorzugsweise 18 Gew.-% Chrom, 8 bis 12 Gew.-% Aluminium,
0,5 bis 3 Gew.-% Silizium, 1 Gew.-% Zirkonium, 5 bis 20
Gew.-% Kobalt und einen Anteil an Nickel auf, der den
restlichen Bestandteil der Legierung bildet.
Alle Gewichtsangaben in den oben aufgezeigten Legierun
gen beziehen sich auf das jeweilige Gesamtgewicht dieser
Legierungen. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit,
jeder dieser Legierungen Hafnium, Cer oder Erbium bzw.
Gemische hiervon zuzusetzen, um hiermit die Heißgas-Kor
rosionsbeständigkeit der Schutzschicht und die Haft
festigkeit der Aluminiumoxid-Deckschicht weiter zu
verbessern. Diese Zusätze sollten nicht größer als 0,1
bis 2 Gew.-% betragen. Hochtemperatur-Schutzschichten aus
den oben beschriebenen Legierungen weisen eine chrom
reiche, aluminiumärmere Matrix mit hohem Volumenanteil
an einer aluminiumreichen Phase auf. Bei Zusätzen von
Zirkonium und Silizium sind weitere Ausscheidungen mit
hohem Zirkonium und Siliziumanteil festzustellen. Alle
hier beschriebenen Legierungen sind für die Ausbildung
von Hochtemperatur-Schutzschichten gleichermaßen gut
geeignet. Gleichgültig durch welche der oben beschrie
benen Legierungen die Hochtemperatur-Schutzschichten
gebildet werden, es entsteht in jedem Fall unter Be
triebsbedingungen auf den Schutzschichten selbsttätig
eine Aluminiumoxid-Deckschicht, die auch bei Tempera
turen größer als 900°C nicht abgetragen wird.
Anhand eines Ausführungsbeispiels, das die Herstellung
eines beschichteten Gasturbinenbauelements beschreibt,
wird die Erfindung näher erläutert. Es wird hierbei
davon ausgegangen, daß das zu beschichtende Gasturbinen
bauteil aus einem austenitischen Material, insbesondere
einer Nickel-Superlegierung gefertigt ist. Vor der Be
schichtung wird das Bauelement (hier nicht dargestellt)
zunächst chemisch gereinigt, und dann mit einem Sand
strahl aufgerauht. Die Beschichtung des Bauelements
erfolgt mittels Plasmaspritzen im Vakuum. Für die Be
schichtung wird vorzugsweise eine Legierung verwendet,
die 13 bis 18 Gew.-% Chrom, 7 bis 15 Gew.-% Aluminium, 0,5
bis 3 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 1 Gew.-% Yttrium und 3 bis
30 Gew.-% Kobalt aufweist. Der übrige Anteil der Legie
rung besteht aus Nickel. Die Gewichtsangaben beziehen
sich auf das Gesamtgewicht der Legierung. Mittels
Plasmaspritzen kann die Schutzschicht auch mit einer
Legierung gebildet werden, die 13 bis 18 Gew.-% Chrom, 7
bis 15 Gew.-% Aluminium, 0,5 bis 3 Gew.-% Silizium, 0,5
bis 1 Gew.-% Yttrium, 1 Gew.-% Tantal und 3 bis 30 Gew.-%
Kobalt aufweist, wobei der übrige Anteil der Legierung
durch Nickel gebildet wird. Auch hierbei beziehen sich
die Gewichtsangaben auf das Gesamtgewicht der Legierung.
Eine Schutzschicht, die kein Yttrium enthält, kann
beispielsweise aus einer Legierung gebildet werden, die
18 Gew.-% Chrom, 7 bis 12 Gew.-% Aluminium, 0,5 bis 3
Gew.-% Silizium, 1 Gew.-% Zirkonium und 5 bis 20 Gew.-%
Kobalt aufweist, wobei der übrige Anteil der Legierung
Nickel ist. Auch hierbei beziehen sich die Gewichtsan
gaben auf das Gesamtgewicht der Legierung. Falls es die
Gegebenheiten erfordern, kann jeder dieser Legierungen
eine gewisse Menge an Titan beigemischt werden. Die
Menge sollte jedoch 0,1 bis 2 Gew.-% nicht überschreiten.
Um die Heißgas-Korrosionsbeständigkeit der Schutzschicht
und die Haftfestigkeit der Aluminiumoxid-Deckschicht bei
extremen Bedingungen noch weiter zu optimieren, besteht
die Möglichkeit, den oben beschriebenen Legierungen
Hafnium, Cer oder Erbium bzw. Gemische hiervon beizu
mischen. Die Menge dieser Zusätze sollte zwischen 0,1
und 2 Gew.-% betragen. Für den Fall, daß die Legierungen
Yttrium enthalten, sollte die Gesamtkonzentration an
Yttrium, Hafnium, Cer und Erbium 0,5 bis 3 Gew.-% betra
gen. Das zur Ausbildung der Schutzschichten verwendete
Material liegt in Pulverform vor und weist vorzugsweise
eine Korngröße von 45 µm auf. Vor dem Aufbringen der
Hochtemperatur-Schutzschicht, insbesondere vor dem
Auftragen des Legierungsmaterials, wird das Bauelement
mit Hilfe des Plasmas auf 800°C erhitzt. Die Legierung
wird direkt auf das Grundmaterial des Bauelements aufge
tragen. Als Plasmagas werden Argon und Wasserstoff ver
wendet. Nach dem Auftragen der Legierung wird das Bau
element einer Wärmebehandlung unterzogen. Diese erfolgt
in einem Hochvakuum-Glühofen. In ihm wird ein Druck auf
recht erhalten, der kleiner als 5 × 10-3 Torr ist. Nach
dem Erreichen des Vakuums wird der Ofen auf eine Tem
peratur von 1100°C aufgeheizt. Die oben angegebene
Temperatur wird während etwa 1 Stunde mit einer Toleranz
von etwa +/-4°C gehalten. Anschließend wird die
Heizung des Ofens abgeschaltet. Das beschichtete und
wärmebehandelte Bauelement wird im Ofen langsam abge
kühlt. Seine Herstellung ist nach der Abkühlung beendet.
Claims (2)
1. Hochtemperaturschutzschicht aus einer Legierung
die Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium enthält,
insbesondere für Bauelemente aus einem austenitischen
Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung
13 bis 18 Gew.-% Chrom, 7 bis 15 Gew.-% Aluminium,
0,5 bis 3 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 1 Gew.-% Yttrium,
1 Gew.-% Tantal und 3 bis 30 Gew.-% Kobalt bezogen auf das
Gesamtgewicht der Legierung sowie Hafnium, Cer und/oder
Erbium oder Gemische hiervon als Zusätze enthält, und
daß die Gesamtmenge des in der Legierung enthaltenen
Yttriums, Hafniums, Cers und Erbiums zwischen
0,5 und 3 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung
beträgt und der restliche Anteil der Legierung
aus Nickel besteht.
2. Hochtemperaturschutzschicht aus einer Legierung,
die Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium enthält,
insbesondere für Bauelemente aus einem austenitischen
Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung
13 bis 18 Gew.-% Chrom, 7 bis 15 Gew.-% Aluminium,
0,5 bis 3 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 1 Gew.-% Yttrium und
3 bis 30 Gew.-% Kobalt bezogen auf das Gesamtgewicht der
Legierung sowie Hafnium, Cer und/oder Erbium oder Gemische
hiervon als Zusätze enthält, und daß die Gesamtmenge
an Yttrium, Hafnium, Cer und/oder Erbium zwischen
0,5 und 3 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung
beträgt und der restliche Anteil der Legierung aus
Nickel besteht.
Priority Applications (1)
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DE3842301A DE3842301A1 (de) | 1988-12-16 | 1988-12-16 | Hochtemperatur-schutzschicht |
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Publications (2)
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DE102020213918A1 (de) | 2020-11-05 | 2022-05-05 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Legierung, Pulver, duktile gamma`-Haftvermittlerschicht und Bauteil |
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DE3612568A1 (de) * | 1986-04-15 | 1987-10-29 | Bbc Brown Boveri & Cie | Hochtemperatur-schutzschicht |
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1988
- 1988-12-16 DE DE3842301A patent/DE3842301A1/de active Granted
Also Published As
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